Фотография на память: Пузырьковая камера

Основными средствами детектирования заряженных частиц к середине XX века были ядерные эмульсии и камеры Вильсона. В ядерных эмульсиях при пролете частицы происходила химическая реакция, а в камере Вильсона, работавшей при давлении в 300 атмосфер, перенасыщенный пар конденсировался в жидкость.

К тому времени было уже открыто множество частиц: электроны, позитроны, протоны, нейтроны, мюоны в космических лучах, пи-мезоны. Но попадались и такие загадочные экземпляры, которые никак не удавалось исследовать с помощью имеющихся детекторов. Чтобы с ними разобраться, экспериментаторам нужны были новые методы регистрации частиц.

В 1950 году поисками новых способов детектирования занялся в Мичиганском университете Дональд Глейзер. Требования к детектору были следующие. Он должен был срабатывать и возвращаться в исходное состояние за несколько секунд, поскольку в то время уже готовился к запуску новый ускоритель, способный выдавать пучки протонов с такими короткими интервалами. Более того, в течение этих секунд изменения, вызванные пролетающими частицами, должны были становиться настолько заметными, чтобы их можно было запечатлеть на фотографии, и все это при разумных температурах и давлениях. Глейзер перебрал множество вариантов, связанных с химическими и электрическими превращениями, жидкими и твердыми телами, и остановил свой выбор на перегретой жидкости.

Сделаем небольшое отступление и вкратце расскажем о физическом явлении перегрева, на котором основан принцип действия пузырьковой камеры и предшествовавшей ей камеры Вильсона. Известно, что вода, например, кипит в обычных условиях при температуре 1000С. Но те, кто когда-нибудь поднимался высоко в горы, где давление меньше, чем на уровне моря, подтвердят, что там для закипания воды вполне достаточно и 900С. А вот при повышении давления температура кипения, наоборот, увеличивается. Но самое интересное — то, что если жидкость, нагретую при высоком давлении, вдруг вернуть в обычные условия (снизить давление при помощи поршня), она закипит не сразу, а будет некоторое время пребывать в неустойчивом состоянии, пока ее не потревожат. Такая жидкость и называется перегретой. Нарушить ее неустойчивое равновесие может заряженная частица. При движении частицы, в жидкости образуются ионы, вокруг которых появляются пузырьки, и начинается кипение.

Но вернемся снова к Глейзеру. Для первых своих экспериментов он выбрал диэтиловый эфир, который был сравнительно дешев и легко выделялся в чистом виде, а при работе с ним не требовалось никаких сверхъестественных температур и давлений. Проведя собственные расчеты, Глейзер, тем не менее, решил поискать данные в научной литературе и в одном из ведущих журналов физической химии за 1924 год нашел-таки интересную статью об экспериментах с диэтиловым эфиром. Главный изложенный там экспериментальный факт был следующим: перегретый до температуры 1400С диэтиловый эфир при обычном давлении в одну атмосферу самопроизвольно закипал через случайные промежутки времени. И тут следует отдать должное настойчивости и интуиции Глейзера. Он проанализировал приведенную табличку с этими случайными интервалами и выяснил, что в среднем время, через которое происходит закипание, составляет 60 с. Дальше он взял известные данные о космическом и радиоактивном фоне, учел описанную авторами конструкцию емкости с эфиром и вычислил, что через нее в среднем каждые 60 с должна пролетать одна частица!

Похоже, он был на правильном пути. Первое устройство, сделанное Глейзером, состояло из двух соединенных между собой трубочек, наполненных жидким и газообразным диэтиловым эфиром. Они имели длину 10 см и внутренний диаметр 3 мм. Сначала обе трубочки нагревались до 1600С и 1400С, а затем более нагретая охлаждалась до комнатной температуры. Во второй трубке при этом образовывалось перегретое состояние, и как только к ней подносили источник радиоактивного излучения (Глейзер использовал радиоактивный кобальт), диэтиловый эфир закипал. Итак, сама возможность детектирования с помощью перегретой жидкости была доказана, но оставался другой, не менее важный вопрос — можно ли таким способом получать точные следы частиц?

Чтобы это показать, Глейзер приготовил несколько маленьких камер из тугоплавкого борного стекла (пирекса), наполненных несколькими кубическими сантиметрами диэтилового эфира. Высокая температура поддерживалась с помощью масляной ванны, а для сброса давления вручную использовалась специальная рукоятка. Одновременно с открытием рукоятки включалась кинокамера и со скоростью 3000 кадров в секунду снимала все, что происходило в сосудах. Затем процесс снятия давления и последующего сжатия был автоматизирован и синхронизован с кинокамерой и счетчиком Гейгера, который сообщал о появлении частицы. Фильм получился захватывающий. Пузырьки, образовавшиеся при пролете заряженной частицы, вырастали до 1 мм за 300 мкс. Во многих случаях следы частиц были отчетливо видны, и стало ясно, что прибор вполне пригоден для измерений.

В 1955 году в Брукхейвене в США 15-сантиметровая пузырьковая камера, наполненная пропаном, была впервые использована в эксперименте на ускорителе. А уже на следующий год другую камеру, в два раза большего размера, диаметром 30 см, поместили в магнитное поле и получили 60 тыс. стереоснимков с изображениями следов частиц. На них теперь можно было различить положительные и отрицательные частицы, так как они под действием магнитного поля отклоняются в разные стороны, и по кривизне траектории вычислить их скорость. Так началась эра пузырьковых камер, а в 1960 году Дональд Глейзер получил за свое изобретение Нобелевскую премию по физике.

Устройство, называемое пузырьковой камерой, представляет собой сосуд с окошками, наполненный прозрачной жидкостью под давлением в несколько атмосфер и помещенный в магнитное поле. Если рабочая жидкость кипит при очень низкой температуре, как, например, водород, все это еще помещается в криостат и охлаждается. Перед вбросом частиц из ускорителя происходит расширение рабочего объема с помощью специального поршня, давление понижается и образуется перегретая жидкость. Некоторые частицы пролетают насквозь, некоторые взаимодействуют с веществом камеры, но при этом все, имеющие заряд, оставляют за собой следы в виде пузырьков закипающей жидкости. Все это происходит за сотые доли микросекунды. Через несколько миллисекунд пузырьки вырастают до видимых размеров, для освещения включается импульсная лампа, и несколько фотокамер (обычно их три) одновременно фотографируют рабочий объем камеры. Они жестко закреплены в разных местах одного и того же окна, а значит, позволяют получить стереоизображение. Когда снимки сделаны, давление снова увеличивают, пузырьки исчезают, и камера вновь готова к измерениям. Весь цикл занимает несколько десятков миллисекунд.

Но сами по себе фотографии — еще полдела. Дальше начинается процесс анализа траекторий и идентификации частиц. И если накопление снимков при совместной работе пузырьковой камеры и ускорителя может длиться несколько дней или недель, то обработка полученной информации может занять месяцы, а то и годы. Непосвященному человеку покажется, что на фотографиях с пузырьковой камеры отпечатаны ничего не значащие закорючки и росчерки. Но для физика это кладезь информации. Тугие спирали соответствуют электронам (или позитронам, если закручены в другую сторону). Так называемые «вилки» означают, что в этом месте влетевшая частица столкнулась с ядром вещества, заполняющего камеру, и в результате образовались еще какие-то частицы. А если вилка начинается «ниоткуда» — значит, распалась какая-то нейтральная частица.

Если все траектории (или треки) тщательно измерить на всех трех одновременно сделанных снимках, то можно восстановить пространственную картину события и вычислить характеристики всех участвовавших в нем частиц. Сначала этим вручную занимались сами физики, но потом, когда счет пошел на сотни тысяч кадров, положение спасли появившиеся к тому времени компьютеры и полуавтоматические сканирующие устройства. Без них справиться с такой горой информации было бы просто невозможно. Общее число стереоснимков, полученных в экспериментах на пузырьковых камерах, превышает 100 млн!

За 30 лет в мире было построено чуть больше сотни пузырьковых камер, позволивших разглядеть целую плеяду новых частиц, предсказанных теорией, и подтвердить существование «очарованного» кварка. Какие только жидкости (вернее, сжиженные газы) в них не использовались: водород, дейтерий, пропан, ксенон, неон, фреон и даже гелий. Рабочие температуры тоже были разнообразны: от сверхнизкой для гелия или водорода до почти комнатной для ксенона, пропана или фреона. Начав с небольших размеров, в несколько десятков сантиметров, камеры в итоге приобрели поистине гигантские масштабы. Последняя пузырьковая камера в Европейском центре ядерных исследований была построена к 1971 году и называлась «Гаргамель». Это был цилиндр диаметром 1,85 м и длиной 4,85 м, наполненный 18 т фреона. Именно с ней связано последнее достижение камерной эпохи — открытие необычных взаимодействий элементарных частиц, названных нейтральными токами. В том же году в США была изготовлена и самая большая в мире пузырьковая камера почти сферической формы диаметром 4,5 м для работы с жидким водородом и дейтерием. Но никакие инженерные достижения уже не могли принципиально изменить ситуацию: эти детекторы не могли работать с новыми ускорителями, которые выдавали пучки частиц с огромной энергией и интенсивностью. Эпоха пузырьковых камер подходила к концу.

Но фотографии с пузырьковых камер еще рано списывать в архив иллюстраций. Не далее как в 2002 году две экспериментальные группы (одна, работающая на синхротроне Spring-8 в Японии, а другая из Института теоретической и экспериментальной физики в Москве) почти одновременно сообщили об обнаружении новых частиц, названных пентакварками. Российские ученые наткнулись на это явление при анализе своих экспериментальных данных, полученных много лет назад на ксеноновой пузырьковой камере «Диана»! Может, среди 100 млн снимков обнаружится и еще что-нибудь интересное?